川西高山和亚高山主要灌木的被水性能

川西高山和亚高山主要灌木的被水性能

位于青藏高原东南缘的西川高山峡谷，地形复杂，新结构运动活跃，岩体疏松，地震频繁。这是一个非常脆弱的生态环境。川西亚高山暗针叶林是该区主要的植被类型,但由于地形或人为的原因,高山和亚高山灌丛分布于森林边缘或是镶嵌其中,共同形成水源涵养的生态屏障。分布于林线上部的杜鹃灌丛和分布于阳坡的高山栎灌丛、子栎灌丛,都是局域生境条件下相对稳定的群落,并且位于生态环境较为恶劣的地段,其生态水文效应尤为重要。对于川西亚高山森林水文学的研究已相当丰富,内容涉及森林冠层截留、地被物持水特征、森林蒸发散、土壤入渗、根土作用层等诸多方面。但对于灌丛的研究,则只限于群落特征、生物量等方面,对于高山、亚高山灌丛水文效应的研究,则基本上属于空白。本文既以川西高山和亚高山灌丛为研究对象,分析主要灌丛类型在不同海拔梯度上的地被物及土壤持水特征,这有利于加深对长江上游高山和亚高山灌丛水文效应的认识。1米亚罗三种类型林分的分布、分布和生长特性研究区位于四川省理县米亚罗林区,地理坐标N31°24′～31°55′,E102°35′～103°4′,海拔在2200～5500m之间。该区位于青藏高原东缘褶皱带最外缘部分,具有典型的高山峡谷地貌。气候受着高原地形的决定性影响,属冬寒夏凉的高山气候。以海拔2760m的米亚罗镇为例,全年降水量700～1000mm,年蒸发量1000～1900mm,1月份均温-8℃,7月份均温12.6℃,≥10℃的年积温为1200～1400℃。米亚罗林区植被垂直成带明显,其类型和生境随海拔及坡向而分异。主要植被类型为亚高山森林和高山草甸,高山和亚高山灌丛也占有相当大的面积。通过对米亚罗林区1999年9月20日ETM遥感影像解译,米亚罗灌丛面积占总面积的10.44%。高山和亚高山灌丛主要分布于林线以上和干旱阳坡,主要有杜鹃灌丛、高山栎灌丛和子栎灌丛3种类型。杜鹃灌丛主要分布于林线以上的阴坡、半阴坡,海拔在3600m以上,有时极限分布可达4500m,以青海杜鹃(Rhododendronprzewalskii)为单优种,偶有褐毛杜鹃(Rhododendronwatsonii)、陕甘花楸(Sorbuskoeheana)、细枝绣线菊(Spiraeamyrtilloides)渗入。杜鹃灌丛下土壤为山地假灰化棕色森林土,pH4.6～5.3,呈强酸性;土壤腐殖质含量虽较多,但多系粗腐殖质,未很好矿物质化。高山栎灌丛主要分布于海拔2700～3800m的阳坡,以川滇高山栎(Quercusaquifolioides)为单优种,伴生种类包括木帚子(Cotoneasterdielsianus)、平枝子(Cotoneasterhorizontalis)、鞘柄菝葜(Smilaxstans)等;该类型中一部分由高山栎云杉林采伐后形成。高山栎灌丛下土壤为山地棕色森林土,pH5.4～6.3,呈微酸性或趋于中性;土壤腐殖质含量较高,土壤肥力也相应较高。子栎灌丛主要分布于海拔2200～2700m的阳坡、半阳坡,除优势种子栎(Quercuscocciferoides)外,还有美丽胡枝子(Lespedezaformosa)、粉背黄栌(Cotinuscoggygriavar.glaucophylla)、美蔷薇(Rosabella)、马鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberi)、圆叶山蚂蝗(Desmodiumpodocarpum)、莸(Caryopterisspp.)、小花滇紫草(Onosmafarrerii)、小黄素馨(Jasminumhumile)、白刺花(Sorphoravrcifolia)、黄刺玫(Rosaxanthina)和野花椒(Zanthoxylumsimulans)等种类,该类型位于半干旱中山区向干旱河谷的过渡地带。子栎灌丛下为山地褐色森林土,具有强烈的碳酸盐反应,土壤肥力不高。以上3种灌丛类型都是局域地形条件下相对稳定的群落。2学习方法2.1样地的设置和群落调查选择有大面积杜鹃灌丛分布的阴坡,分别在海拔3800、4000、4200m处设置样地;选择有大面积高山栎灌丛分布的阳坡,在海拔3000、3200、3400m和3600m处设置样地;选择有大面积子栎灌丛分布的阳坡,在海拔2300、2500m和2700m设置样地;样地大小均为20m×20m,对样地进行群落调查。每类灌丛选择3个坡面,以使同一类型和海拔的样地至少有3个重复。2.2单位面积鲜重回收单在各样地上部、下部各设2个、中部设1个1×1m2的样方,分别收集地表苔藓和枯落物,现场称量并换算成单位面积鲜重(M1,t/hm2),同时用密封袋取样带回。考虑到该区域土层浅薄12,在各样地相同位置各挖一个土壤剖面,用环刀分别0～10、10～20、20～30、30～40cm取4层原状土壤样本。2.3植物枯落物最大持水率测定从各样方苔藓及枯落物样品中取出一部分称重(m1,g),装入布袋后在清水中浸泡24h称重(m2,g);同时另取一部分(m3,g)在65℃条件下烘干24h测定干重(m0,g)。计算样品最大持水率(P)和单位面积苔藓(枯落物)最大持水量(M,t/hm2)。计算公式如下:P=(m2m1×m3m0−1)×100%M=M0×P=m0m3×M1×P式中,M0(t/hm2)表示单位林地面积苔藓(枯落物)干重。取样重复5次。2.4容重与持水量环刀法土壤容重和持水量使用环刀法一次取样连续测定,将装有原状土壤的环刀在水中浸泡12h称重(ms1,g),计算最大持水量(Cmax,g/cm3);然后放于干砂上2h,此时环刀中土壤的非毛管水已全部流出,称重(ms2,g)计算毛管持水量(Ccap,g/cm3);再将其放于干砂上24h,此时环刀中土壤的水分为毛管悬着水,称重(ms3,g)计算最小持水量(Cmin,g/cm3);最后对环刀中土壤再次取样,放入铝盒中烘干,将环刀中的湿土质量转换成烘干土质量(ms0,g)。该方法详见《森林土壤定位研究方法》。容重与持水量的计算公式如下:D=ms0VCmax=ms1−ms0VCcap=ms2−ms0VCmin=ms3−ms0V式中,ms0、ms1、ms2、ms3(g)分别为环刀内土壤干重、浸泡12h后的饱和重量、失去非毛管水后的重量和仅持有毛管悬着水的重量;D(g/cm3)为土壤容重;V(cm3)为环刀容积;Cmax、Ccap、Cmin(g/cm3)分别为土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量。单位换算后将各层累计可求出单位林地面积0～40cm土壤最大持水量(t/hm2)。3结果分析3.1两种人工林关于苔藓最大持水率的情况由图1及表2可以看出,杜鹃灌丛苔藓蓄积量在不同海拔间差异显著,随海拔升高而下降。高山栎灌丛苔藓蓄积量在不同海拔间差异显著,随海拔升高先是逐渐升高,在海拔3400m处达到最大,然后下降。这两种灌丛苔藓最大持水量的变化趋势与其各自蓄积量相同。杜鹃灌丛各海拔高度苔藓蓄积量和最大持水量平均为5.24t/hm2和46.73t/hm2,远高于高山栎灌丛的0.32t/hm2和1.71t/hm2。子栎灌丛位于较低海拔的干旱阳坡,灌丛下没有苔藓。杜鹃灌丛和高山栎灌丛苔藓最大持水率在不同海拔间没有显著差异,但前者平均为940.5%,远高于后者449.2%。这说明两种灌丛内苔藓的种类及其持水性能是不同的。3.2最大持水量及蓄积量从图3、图4可以看出,3种灌丛枯落物蓄积量在不同海拔间均差异显著(表2),但变化趋势不同。杜鹃和高山栎灌丛枯落物蓄积量随海拔升高而降低,子栎灌丛则随海拔升高而升高。最大持水量的变化规律与蓄积量一致。杜鹃灌丛各海拔高度枯落物蓄积量平均为21.79t/hm2、高山栎灌丛平均为12.12t/hm2、子栎灌丛平均为20.37t/hm2;杜鹃灌丛各海拔高度枯落物最大持水量平均为139.98t/hm2、高山栎灌丛为72.08t/hm2、子栎灌丛为84.55t/hm2。3种灌丛最大持水率在海拔间差异不显著,杜鹃灌丛平均为589.1%,高山栎灌丛平均为596.7%,子栎灌丛为427.5%(图5)。3.3不同海拔土壤条件对土壤持水量的影响从表3可以看出,3种灌丛在不同海拔随土壤深度的增加,土壤容重均显著增大,最大持水量显著下降,但毛管持水量和最小持水量仅在部分类型显著下降。这与高山峡谷区土层浅薄,土壤有机质、土壤动物形成的孔隙、植物根系、死亡根系形成的根孔都随深度而降低有关。这种降低应当主要表现在容纳重力水的土壤大孔隙上,而毛管孔隙则仅在部分类型受到影响。杜鹃灌丛土壤0～40cm最大持水量在不同海拔间差异显著(图6,表2),随海拔升高而降低。高山栎和子栎灌丛在不同海拔间差异不显著。杜鹃灌丛各海拔高度土壤0～40cm最大持水量平均为2216.92t/hm2、高山栎灌丛为2114.87t/hm2、子栎灌丛为2062.83t/hm2。4枯落物与林分因子通过对3种灌丛地被物及土壤持水性能的分析,可以看出,杜鹃灌丛苔藓、枯落物蓄积量及最大持水量随海拔升高而降低。这是由于杜鹃灌丛位于阴坡林线以上,随海拔进一步升高,灌丛高度降低、盖度下降(表1),灌丛内生态环境愈加恶劣,苔藓层盖度、厚度降低,枯落物凋落量亦随之下降。高山栎灌丛苔藓蓄积量及最大持水量先随海拔升高而增加,在3400m处达到最大,之后又降低。这和苔藓喜阴湿环境有关,在阳坡,随海拔增高、温度降低,灌丛内生境趋于阴冷,因而苔藓先是随海拔升高而增加,但到了海拔3600m,已开始接近阳坡林线,林内环境又趋恶劣,苔藓蓄积量反而下降。在海拔2800m以下的子栎灌丛,由于该海拔已开始进入干旱河谷过渡区,灌丛内环境趋于旱化,就没有苔藓的存在。高山栎灌丛枯落物蓄积量及最大持水量随海拔升高而降低,子栎灌丛则随海拔升高而升高。在川西高山峡谷地区,海拔对于水热组合的强烈影响作用到群落特征上:分布在阳坡2800m以下的子栎灌丛,随海拔降低干旱化趋势愈加显著,灌丛中美丽胡枝子、粉背黄栌、白刺花等耐旱成分逐渐增加,灌丛高度降低、枯落物减少;而在2800m以上的高山栎灌丛,随海拔升高温度降低,灌丛高度降低、枯落物减少;因而在这两种灌丛内枯落物与海拔的关系表现出相反的趋势。3种灌丛在不同海拔随土壤深度的增加,土壤容重均显著增大,最大持水量显著下降,但毛管持水量和最小持水量仅在部分类型显著下降。这与该区域各种森林土壤的特征是一致的,其与土层浅薄密切相关。3种灌丛土壤0～40cm最大持水量只有杜鹃灌丛随海拔升高而显著降低,其他两种不同海拔间差异不显著。这应当和杜鹃灌丛所处高海拔有关系,在林线以上,随海拔升高土壤发育停滞显著,到了4500m以上,基本上就是高山流石滩了。3种类型中,杜鹃灌丛持水性能最强,其苔藓最大持水量在不同海拔梯度间平均为46.73t/hm2,枯落物最大持水量平均为139.98t/hm2,土壤0～40cm最大持水量平均为2216.92t/hm2。高山栎灌丛这3个指标分别为1.64、72.08t/hm2和2114.88t/hm2;子栎灌丛没有苔藓,枯落物和土壤0～40cm最大持水量平均值分别为84.55t/hm2和2062.83t/hm2。川西米亚罗林区20世纪50～80年代经历过大规模采伐,是川西林业局的重点伐区,在没有及时人工更新的采伐迹地,在伐后的4～10(15)a间,是迹地群落演替的灌丛阶段,主要是悬钩子灌丛或箭竹灌丛,这两类灌丛在20世纪50～70年代